Natuurkundigen uit Finland en de Verenigde Staten hebben een ongebruikelijk kwantumobject gemaakt en gefotografeerd, een soort magnetische vortex, die qua uiterlijk en eigenschappen lijkt op een gewone bolbliksem, volgens een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.
“Het is buitengewoon verrassend dat we in staat waren om een synthetisch elektromagnetisch knooppunt, quantum ball lightning, te creëren met slechts twee tegengesteld gerichte stromen van elektrische stroom. Dit alles suggereert dat natuurlijke bolbliksem van dit type ook kan optreden als gevolg van conventionele blikseminslagen”, zegt Mikko Möttönen van de Aalto Universiteit in Helsinki (Finland).
Bolbliksem zijn bollen van gloeiend plasma geladen met elektriciteit. Ze verschijnen periodiek in de atmosfeer tijdens onweer en leven veel langer dan gewone bliksem. Hoe ze precies ontstaan en welke processen hun beweging sturen, weten wetenschappers nog niet en maken al bijna anderhalve eeuw ruzie over hun aard.
Möttenen en zijn collega's suggereren dat bolbliksem niet alleen elektrisch is, maar ook kwantum van aard, waardoor een compleet analoog ontstaat van dit "mysterie van de natuur", door te experimenteren met de zogenaamde skyrmions, speciale objecten van de kwantumwereld.
Skyrmions zijn speciale hypothetische materiedeeltjes met ongebruikelijke magnetische eigenschappen waardoor ze eruit zien als een soort "egel" of microscopisch kleine draaikolk. De toppen van de naalden van zo'n "egel" of de rand van een orkaan zijn positief geladen, en het lichaam van een "dier" of het epicentrum van een orkaan is negatief geladen.
Dergelijke kwantum "egels" hebben volgens natuurkundigen een extreem hoge stabiliteit, waardoor ze kunnen worden gebruikt als duurzame en economische geheugencellen voor de spin- en kwantumcomputers van de toekomst, evenals conventionele computers van onze tijd.
Wetenschappers hebben nog geen "echte" skyrmions ontdekt of gecreëerd, en hun meest nabije analogen zijn speciale tweedimensionale structuren in dunne films gemaakt van magnetische materialen of speciale substanties, zoals mangaansilicide. Dergelijke wervelingen ontstaan er vanzelf onder speciale omstandigheden, bijvoorbeeld bij temperaturen dichtbij het absolute nulpunt.
Diagram van een driedimensionaal skyrmion, quantum quasiparticle / Lee et al. / Science Advances 2018.
Promotie video:
Finse en Amerikaanse natuurkundigen hebben een nieuwe versie van deze deeltjes gemaakt, die eerder driedimensionaal dan tweedimensionaal van aard is, met behulp van een andere kwantumsubstantie: het zogenaamde Bose-Einstein-condensaat.
Het is een ongebruikelijke vorm van materie, vergelijkbaar met gas en vloeistof, die zich gedraagt als één gigantisch atoom en typische "atomaire" eigenschappen heeft. Meestal krijgen wetenschappers het door een wolk rubidium en andere alkalimetaalatomen af te koelen tot temperaturen dichtbij het absolute nulpunt.
Zoals Möttenen en zijn collega's ontdekten, kan dit kunstmatige atoom worden omgezet in een driedimensionale analoog van een skyrmion door het in een sterk magnetisch veld te plaatsen en de positie van de spin van elk echt atoom erin op een speciale manier te veranderen. Wanneer dit veld wordt "uitgeschakeld", verschijnt er een speciale kwantumstructuur in het Bose-Einstein-condensaat, dat dezelfde configuratie heeft van elektromagnetische velden die in een knoop zijn gevlochten als bolbliksem.
De belangrijkste ongebruikelijke eigenschap, zoals de natuurkundige opmerkt, is dat het in een dergelijke vorm gedurende een ongebruikelijk lange tijd bestaat voor een kwantumobject, enkele honderden microseconden. Dit suggereert volgens Möttenen dat driedimensionale skyrmions de "kern" van bolbliksem kunnen zijn, die ook ongewoon lang leven in vergelijking met gewone bliksemontladingen.